EP1518097B1 - Kapazitiver drucksensor - Google Patents
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- EP1518097B1 EP1518097B1 EP03735695A EP03735695A EP1518097B1 EP 1518097 B1 EP1518097 B1 EP 1518097B1 EP 03735695 A EP03735695 A EP 03735695A EP 03735695 A EP03735695 A EP 03735695A EP 1518097 B1 EP1518097 B1 EP 1518097B1
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- European Patent Office
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- support ring
- pressure sensor
- measuring cell
- pressure
- clamping force
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Classifications
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- G—PHYSICS
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- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/02—Arrangements for preventing, or for compensating for, effects of inclination or acceleration of the measuring device; Zero-setting means
-
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- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
- G01L9/0075—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass
Definitions
- the invention relates to a capacitive pressure sensor, in particular a capacitive ceramic pressure sensor.
- Such pressure sensors are widely used in process measuring to measure the pressure of process media, which may be in the form of liquids, gases or vapors.
- such pressure sensors comprise a pressure measuring cell of a base body and an elastic membrane, in particular of a ceramic base body and a ceramic membrane.
- a shallow recess is provided, which is also referred to as a membrane bed and which is covered by the membrane.
- the membrane is subjected to the pressure of a process medium, and the deformation of the elastic membrane, which is determined, for example, capacitive or resistive, is a measure of the pressure.
- a corresponding pressure measuring cell is inter alia in the German Offenlegungsschrift DE 39 01 492 disclosed.
- a pressure measuring cell In measuring operation, a pressure measuring cell is usually clamped axially between a media-side elastic sealing ring, which rests on the membrane-side end face of the sensor, and a support ring, which axially remote from the membrane end face of the base body, as for example in the German patent application DE 42 13 857 is shown.
- US Pat. No. 6,055,864 discloses a pressure sensor with a housing having a measuring chamber, with a supported by a holding body in the housing and the measuring space delimiting measuring cell and connected to the measuring cell electrical contact socket, wherein the measuring chamber via an opening of the housing can be pressurized, characterized that the holding body is fixed by means of a positive connection in the housing, wherein the positive connection has a constriction of the housing.
- U.S. Patent 5,712,428 discloses a pressure transducer in which the measuring cell is not clamped against a sealing ring, whereby clamping forces are avoided, but this is paid for by the fact that the pressure to be measured can act on the sensor element only indirectly via a separating membrane and an elastic solid.
- DE 4416978 discloses a pressure sensor in which the pressure measuring cell is supported on the rear side by a support ring with an inelastic body and radially elastic legs. This is disadvantageous in that even if the legs follow the relative movements between the inelastic body of the support ring and the top surfaces of the elastic legs, yet variable radial forces are introduced into the pressure measuring cell.
- the invention is therefore based on the object to provide an improved in the above sense pressure sensor.
- the object is achieved according to the invention by the pressure sensor according to independent claim 1 and the method for designing a pressure sensor according to independent claim 12.
- the inner diameter ⁇ 2 of the support ring 2 as a particularly critical size. Is the support surface of the support ring 2 too large, or is the inner diameter ⁇ 2 too small, so cause the axial clamping forces, which are introduced by the sealing ring 8 with the diameter ⁇ 8 in the pressure measuring cell or the body bending moments in the pressure measuring cell, which cause a total radially outwardly directed deformation of the measuring diaphragm, as exaggerated in the Fig. 2b is shown. Similarly, the sealing ring 8 facing end surface is deformed radially inwardly elastically when the support surface of the support ring 2 too small or the inner diameter ⁇ 2 of the support ring 2 is too large (see. Fig. 2c ).
- the displacement vectors shown in the figures are for illustration only, they are not the result of quantitative calculations.
- the described end-side radial deformations would be basically justifiable if they could be kept constant. However, this is not practical, since the radial deformations are also a function of the axial clamping forces, which depend in particular on the aging or tempering of the elastic sealing ring over which the axial clamping forces are introduced. For example, the axial clamping force can be irreversibly reduced from 500 N to about 400 N when a pressure sensor with a newly inserted sealing ring is heated to 80 °.
- the solution according to the invention is therefore based on identifying for a pressure measuring cell with predetermined dimensions and material properties an inner diameter ⁇ 2 of the support ring 2, in which the radial deformation of the pressure measuring cell in the region of the joints of the measuring membrane is largely eliminated, so that the variation of the membrane stiffness due the changing axial clamping forces is minimized to a reasonable residual error. It is currently not possible to give a closed analytical expression for the dimensioning of the support ring as a function of the other dimensions. However, it is readily possible for the person skilled in the art on the basis of the solution proposed here to carry out the required dimensioning of the support ring by means of FEM. Suitable simulation software is available, for example, under the brand ANSYS.
- the pressure sensor comprises a pressure measuring cell having a substantially cylindrical base body having a first diameter and a first thickness, a measuring membrane attached to an end face of the main body having a second diameter and a second thickness, wherein the pressure measuring cell is axially clamped between an elastic sealing ring with a third diameter and a third thickness, which rests on the diaphragm-side end face of the pressure measuring cell, and a support ring having a fourth outer diameter, a fourth inner diameter and a fourth thickness, wherein the support ring remote from the measuring diaphragm rear end side of the pressure measuring cell is supported; further wherein the dimensions of the support ring are so matched to the dimensions of the sealing ring and the pressure measuring cell, that caused by the axial clamping of the pressure measuring radial deformation of the membrane-side end surface is so small that the span error of the pressure sensor due to a reduction of the axial clamping force by at least 10th % is not more than about 0.02%.
- the dimensions of the support ring are optimized so far that the span error is at a reduction of the clamping force by at least 20% not more than about 0.02%.
- the dimensions of the support ring are optimized so far that the span error with a reduction of the clamping force by at least 10% or at least 20% is not more than about 0.01%.
- the span error refers to the deviation of the difference between the measured value at maximum pressure and the measured value occurring at reduced axial clamping force without pressurization from the corresponding difference at full axial clamping force.
- the full axial clamping force designates, for example, the axial clamping force with which pressure sensors are mounted with new sealing rings in order to be able to securely hold the pressure according to the specification even after tempering or aging of the sealing ring.
- the axial clamping force is between 350 N and 550 N.
- the selected clamping force will depend on the nature of the seal and the pressure rating or specifications of the pressure sensor in a particular case.
- the base body and the measuring diaphragm are made of the same material, wherein at present a ceramic material, in particular corundum, is preferred.
- the measuring diaphragm preferably has approximately the same diameter as the main body.
- the measuring diaphragm can be fastened by means of an active brazing solder or a glass to the end face of the base body.
- the joint comprises a sintered corundum.
- the support ring also has the same material as the base in the presently preferred embodiment. This is advantageous in that the support ring then has the same coefficient of thermal expansion as the main body.
- the support ring should preferably comprise a material which is at least as stiff as the base body.
- the outer diameter of the support ring should not be smaller and preferably equal to the diameter of the base body.
- the support ring is fixedly connected to the base body. This can be done by soldering, for example with an active braze, or by gluing. After all the support ring can be made in one piece with the base body.
- the support ring preferably has at least the thickness of the base body.
- the pressure sensor according to the invention preferably comprises a metallic housing, in particular of steel, with a substantially cylindrical measuring cell chamber for the pressure measuring cell, wherein the housing has in its interior an axial stop surface which axially supports the sealing ring.
- a threaded ring is preferably provided, which engages in an internal thread in the cylindrical measuring cell chamber and exerts an axial clamping force on the back of the support ring facing away from the pressure measuring cell.
- means are provided to minimize the friction between the threaded ring and the support ring.
- a plastic layer or film such as Kapton or Teflon, a hard smooth layer, such as DLC (Diamond Like Carbon), or a lubricant such as molybdenum disulfide can be used.
- the static friction coefficient between the support ring and the threaded ring is less than 0.2.
- the in Fig. 1 shown pressure sensor comprises a pressure measuring cell 6 which has a base body and a measuring diaphragm made of corundum, which is fixed by means of an active braze on the front end face of the base body.
- a support ring made of corundum, whose outer diameter is equal to the diameter ⁇ 1 of the main body is attached to the rear end face of the body by means of an active brazing.
- the pressure measuring cell 6 and the support ring 2 are arranged in a housing made of stainless steel, which has a cylindrical measuring cell chamber 1 and a Prozeßanschlußflansch 7, which is arranged at an end opening of the measuring cell chamber 1.
- the Prozeßanschlußflansch 7 extends radially inwardly from the cylindrical wall of the measuring cell chamber 1 and thus forms an axial stop surface in which an annular groove 71 is formed for receiving an elastic sealing ring 8.
- the pressure measuring cell 6 presses with the membrane-side end face axially against the sealing ring. 8
- the clamping force is given by the compression of the sealing ring 8 and its elastic properties.
- the compression of the sealing ring is adjusted during the assembly of the pressure sensor via the position of a threaded ring 5, which acts on the back of the support ring 2.
- the elastic properties change due to aging or tempering of the sealing ring under compression.
- the initial clamping force is 500 N. After an annealing of the sealing ring, which can take place, for example, in operation by cleaning cycles of the sensor with water vapor, the clamping force is reduced to 400 N.
- the identification of the optimum inner diameter ⁇ 2 of the support ring is explained below for an exemplary embodiment.
- the support ring was assumed to be "infinitely stiff".
- FEM was used to determine the deformation for axial clamping forces of 500N and 400N at different internal diameters ⁇ 2 of the support ring and the resulting span when subjected to the nominal pressure was also calculated using FEM.
- the tension error is obtained by comparing the span at 500 N clamping force and 400 N clamping force.
- FIGS. 3a-c shows a vector representation of the displacement for a section around the inner edge of the joint between the base body and the measuring diaphragm for different inner diameter ⁇ 2 of the support ring.
- Fig. 3a the inner diameter is 27.8 mm. This inside diameter is too big.
- the vector field shown at a clamping force of 500 N shows a radially inwardly directed displacement, which reduces the membrane rigidity. So the span gets bigger.
- the span change compared to the unclamped cell is about + 0.8%. With a clamping force of 400N, the span change is reduced to approximately + 0.64%. The span error is thus -0.16%.
- Fig. 3b the inner diameter is 10.0 mm, this inner diameter is too small.
- the vector field shown at a clamping force of 500 N shows a radially outward displacement, which increases the membrane rigidity. The span is thus so small.
- the span change compared to the unclamped cell is about -0.1%. With a clamping force of 400N, the span change is reduced to about -0.08%. The span error is thus + 0.02%.
- Fig. 3c the inner diameter is 23.2 mm this value is almost ideal.
- the shown vector field with a clamping force of 500 N shows in the range of Joint of the membrane barely a radial displacement, which could change the membrane stiffness.
- the span change from the unclamped cell is about -0.01%. With a clamping force of 400N, the span change is reduced to about -0.008%. The span error is thus + 0.002%.
- the support ring preferably has a thickness which is not less than the thickness of the pressure measuring cell to meet the assumption of a sufficiently stiff axial support.
- a support ring of finite rigidity having the same modulus of elasticity as the base body of the pressure measuring cell was assumed. Both the thickness of the support ring and its inner diameter and the friction between the support ring and the threaded ring has been varied. As a result, it was confirmed that the simulation described above, assuming an infinitely rigid support ring, had already identified a suitable inner diameter. The assumption of infinite stiffness of the support ring proves to be more appropriate for support rings having a thickness equal to the thickness of the body, of course, than for thinner support rings. For thinner support rings, for example, with 0.25 times the body thickness, the influence of friction between the support ring and the threaded ring is stronger than in support rings with the thickness of the body according to current knowledge.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor, insbesondere einen kapazitiven keramischen Drucksensor.
- Derartige Drucksensoren werden vielfach in der Prozeßmeßtechnik eingesetzt, um den Druck von Prozeßmedien zu messen, die als Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe vorliegen können. Im wesentlichen umfassen derartige Drucksensoren eine Druckmeßzelle aus einem Grundkörper und einer elastischen Membran, insbesondere aus einem keramischen Grundkörper und einer keramischen Membran. Am Grundkörper ist eine flache Ausnehmung vorgesehen, die auch als Membranbett bezeichnet wird und die von der Membran überdeckt wird. Im Meßbetrieb wird die Membran mit dem Druck eines Prozeßmediums beaufschlagt, und die Verformung der elastischen Membran, die beispielsweise kapazitiv oder resistiv ermittelt wird, ist ein Maß für den Druck. Eine entsprechende Druckmeßzelle ist u.a. in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 39 01 492 offenbart. - Im Meßbetrieb wird eine Druckmeßzelle gewöhnlich axial eingespannt zwischen einem medienseitigen elastischen Dichtring, der auf der membranseitigen Stirnfläche des Sensors aufliegt, und einem Stützring, welcher die von der Membran abgewandte Stirnfläche des Grundkörpers axial abstützt, wie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 42 13 857 dargestellt ist. -
US Patent 6 055 864 offenbart einen Drucksensor mit einem einen Messraum aufweisenden Gehäuse, mit einer mittels eines Haltekörpers in dem Gehäuse abgestützten und den Messraum begrenzenden Messzelle und mit einem mit der Messzelle verbundenen elektrischen Kontaktsockel, wobei der Messraum über eine Öffnung des Gehäuses mit Druck beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltekörper mittels einer formschlüssigen Verbindung, in dem Gehäuse fixiert ist, wobei die formschlüssige Verbindung eine Einschnürung des Gehäuses aufweist. -
US Patent 5712428 offenbart einen Druckaufnehmer bei dem die Messzelle nicht gegen einen Dichtring eingespannt ist, wodurch Einspannkräfte vermieden werden, dies wird aber dadurch erkauft, dass der zu messende Druck nur indirekt über eine Trennmembran und einen elastischen Festkörper auf das Sensorelement wirken kann. -
DE 4416978 offenbart einen Drucksensor bei dem die Druckmesszelle rückseitig von einem Stützring mit einem inelastischen Körper und radial elastischen Beinen abgestützt ist. Dies ist insoweit nachteilig, als selbst dann, wenn die Beine den Relativbewegungen zwischen dem inelastischen Körper des Stützrings und den Aufsatzflächen der elastischen Beine folgen, dennoch veränderliche radiale Kräfte in die Druckmesszelle eingeleitet werden. - Insofern, als die Verformung der Membran bei gegebenem Druck von der effektiven Membransteifigkeit abhängt, ist es erforderlich, die Membransteifigkeit nach der Kalibrierung des über den Meßbereich des Drucksensors, möglichst konstant zu halten. Es ist daher besonders wichtig, daß möglichst wenige radiale Kräfte auf die Druckmeßzelle wirken, da radial einwärts wirkende Kräfte die Membransteifigkeit verringern und radial auswärts wirkende Kräfte die Membransteifigkeit vergrößern können.
- Die bisherigen Bemühungen zur Veringerung des Einflusses von Radialkräften betrafen vor allem die rückseitige Reibungsentkopplung. Zu diesem Zweck ist beispielsweise bei den kapazitiven Drucksensoren, die von der Anmelderin hergesellt und unter dem Namen Cerabar vertrieben werden, eine Polymerfolie zwischen der rückseitigen Stirnfläche des Grundkörpers und dem Stützring angeordnet. Zudem wird der axiale Anpreßdruck des medienseitigen elastischen Dichtrings so weit wie möglich reduziert, um die Einleitung von Lateralkräften durch Reibschluß zu minimieren. Die genannten Maßnahmen haben zwar bereits zu einer Verbesserung der Meßgenauigkeit geführt, aber eine weitere Reduzierung störender Radialkräfte erscheint wünschenswert.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen im obigen Sinn verbesserten Drucksensor bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1. Und das Verfahren zum Entwurf eines Drucksensors gemäß des unabhängigen Anspruchs 12.
- Bei Arbeiten zur Verbesserung eines Drucksensors ist es den Erfindern der vorliegenden Erfindung gelungen, eine weitere Quelle von störenden Radialkräften zu identifizieren und weitgehend zu eliminieren. Der Grundgedanke der Erfindung wird nun anhand von
Fig. 2 erläutert. Wenngleich der Grundkörper einer Druckmeßzelle hinreichend steif sein sollte, damit er bei einer Druckbeaufschlagung nicht verformt wird, so gilt dies natürlich nicht streng, sondern nur als idealisierte Aussage, denn das Elastizitätsmodul des Grundkörpermaterials ist naturgemäß eine endlich Größe. So hat sich bei Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode (nachfolgend FEM) ergeben, daß die axiale Einspannung der Druckmeßzelle 6 zwischen einem Dichtring 8 und einem Stützring 2 eine elastische Durchbiegung der rückseitigen Stirnfläche des Grundkörpers in axialer Richtung um einige 10 nm bis 100 nm bewirken kann. - Bezüglich der Meßgenauigkeit des Drucksensors erweist sich in diesem Zusammenhang der Innendurchmesser φ2 des Stützrings 2 als besonders kritische Größe. Ist die Auflagefläche des Stutzrings 2 zu groß, bzw. ist der Innendurchmesser φ2 zu klein, so bewirken die axialen Einspannkräfte, die durch den Dichtring 8 mit dem Durchmesser φ8 in die Druckmeßzelle bzw. den Grundkörper eingeleitet werden Biegemomente in der Druckmeßzelle, welche eine in der Summe radial auswärts gerichtete Verformung der Meßmembran bewirken, wie übertrieben in der
Fig. 2b dargestellt ist. In ähnlicher Weise wird die dem Dichtring 8 zugewandte Stirnfläche radial einwärts elastisch verformt, wenn die Auflagefläche des Stützrings 2 zu klein bzw. der Innendurchmesser φ2 des Stützrings 2 zu groß ist (vergl.Fig. 2c ). Die in den Figuren gezeigten Verschiebungsvektoren, dienen lediglich zur Veranschaulichung, sie sind nicht das Ergebnis von quantitativen Berechnungen. - Die beschriebenen stirnseitigen radialen Verformungen wären grundsätzlich vertretbar, wenn sie konstant gehalten werden könnten. Dies ist jedoch nicht praktikabel, da die radialen Verformungen auch eine Funktion der axialen Einspannkräfte sind, welche insbesondere von der Alterung bzw. Temperung des elastischen Dichtrings abhängen, über den die axialen Einspannkräfte eingeleitet werden. Beispielsweise kann die axiale Einspannkraft irreversibel von 500 N auf etwa 400 N reduziert werden, wenn ein Drucksensor mit einem neu eingesetzten Dichtring auf 80° erwärmt wird.
- Veränderungen der radialen Verformung sind praktisch also nur durch ein Design zu verhindern, bei dem selbst bei maximaler axialer Einspannkraft keine nennenswerten radialen Verformungen auftreten.
- Die erfindungsgemäße Lösung beruht daher darauf, für eine Druckmeßzelle mit vorgegebenen Abmessungen und Materialeigenschaften einen Innendurchmesser φ2 des Stützrings 2 zu identifizieren, bei dem die radiale Verformung der Druckmeßzelle im Bereich der Fügestellen der Meßmembran weitgehend eliminiert ist, so daß die Variation der Membransteifigkeit aufgrund der sich verändernden axialen Einspannkräfte bis auf einen vertretbaren Restfehler minimiert ist. Es ist derzeit nicht möglich einen geschlossenen analytischen Ausdruck für die Dimensionierung des Stützrings als Funktion der anderen Abmessungen anzugeben. Jedoch ist es dem Fachmann anhand des hier vorgeschlagenen Lösungsweges ohne weiteres möglich, die erforderliche Dimensionierung des Stützrings mittels FEM durchzuführen. Geeignete Simulationssoftware ist beispielsweise unter der Marke ANSYS erhältlich.
- Der erfindungsgemäße Drucksensor umfaßt
eine Druckmeßzelle mit einem im wesentlichen zylindrischen Grundkörper mit einem ersten Durchmesser und einer ersten Dicke, einen an einer Stirnfläche des Grundkörpers gefügten Meßmembran mit einem zweiten Durchmesser und einer zweiten Dicke, wobei die Druckmeßzelle axial eingespannt ist zwischen einem elastischen Dichtring mit einem dritten Durchmesser und einer dritten Dicke, der auf der membranseitigen Stirnseite der Druckmeßzelle aufliegt, und einem Stützring mit einem vierten Außendurchmesser, einem vierten Innendurchmesser und einer vierten Dicke, wobei der Stützring die von der Meßmembran abgewandte rückwärtige Stirnseite der Druckmeßzelle abstützt; wobei ferner die Abmessungen des Stützrings solchermaßen auf die Abmessungen des Dichtrings und der Druckmesszelle abgestimmt sind, daß eine durch die axiale Einspannung der Druckmeßzelle bedingte radiale Verformung der membranseitigen Stirnfläche so gering ist, daß der Spannenfehler des Drucksensors aufgrund einer Reduzierung der axialen Einspannkraft um mindestens 10% nicht mehr als etwa 0,02% beträgt. - Vorzugsweise sind die Abmesungen des Stützrings so weit optimiert, daß der Spannenfehler bei einer Reduzierung der Einspannkraft um mindestens 20% nicht mehr als etwa 0,02% beträgt.
- Besonders bevorzugt sind die Abmesungen des Stützrings so weit optimiert, daß der Spannenfehler bei einer Reduzierung der Einspannkraft um mindestens 10% bzw. mindestens 20% nicht mehr als etwa 0,01 % beträgt. Der Spannenfehler bezeichnet in diesem Zusammenhang die Abweichung der bei reduzierter axialer Einspannkraft auftretenden Differenz zwischen dem Meßwert bei Maximaldruck und dem Meßwert ohne Druckbeaufschlagung von der entsprechenden Differenz bei voller axialer Einspannkraft. Die volle axiale Einspannkraft bezeichnet beispielsweise die axiale Einspannkraft, mit der Drucksensoren mit neuen Dichtringen montiert werden, um auch nach einer Temperung bzw. Alterung des Dichtrings den spezifikationsgemäßen Druck sicher halten zu können.
- Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform beträgt die axiale Einspannkraft zwischen 350 N und 550 N. Die gewählte Einspannkraft wird jedoch im Einzelfall von der Art der Dichtung und dem Nenndruck bzw. den Spezifikationen des Drucksensors abhängen.
- Vorzugsweise sind der Grundkörper und die Meßmembran aus dem gleichen Material gefertigt, wobei derzeit ein keramisches Material, insbesondere Korund, bevorzugt wird. Die Meßmembran weist bevorzugt etwa den gleichen Durchmesser wie der Grundkörper auf. Insbesondere bei keramischen Drucksensoren kann die Meßmembran mittels eines Aktivhartlots oder eines Glases an der Stirnseite des Grundkörpers befestigt sein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Fügestelle ein Sinterkorund.
- Der Stützring weist in der derzeit bevorzugten Ausführungsform ebenfalls das gleiche Material wie der Grundkörper auf. Dies ist insofern vorteilhaft, als der Stützring dann den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Grundkörper aufweist. Der Stützring sollte vorzugsweise ein Material aufweisen das mindestens so steif ist wie der Grundkörper. Der Außendurchmesser des Stützrings sollte nicht kleiner und vorzugsweise gleich dem Durchmesser des Grundkörpers sein. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform ist der Stützring fest mit dem Grundkörper verbunden. Dies kann durch Löten, beispielsweise mit einem Aktivhartlot, oder durch Kleben erfolgen. Schließlich kann der Stützring einstückig mit dem Grundkörper gefertigt sein. Der Stützring weist bevorzugt mindestens die Dicke des Grundkörpers auf.
- Der erfindungsgemäße Drucksensor umfaßt vorzugsweise ein metallisches Gehäuse, insbesondere aus Stahl, mit einer im wesentlichen zylindrischen Meßzellenkammer für die Druckmeßzelle, wobei das Gehäuse in seinem Inneren eine axiale Anschlagfläche aufweist, welche den Dichtring axial abstützt. Zudem ist vorzugsweise ein Gewindering vorgesehen, der in ein Innengewinde in der zylindrischen Meßzellenkammer eingreift und auf die der Druckmeßzelle abgewandten Rückseite des Stützrings eine axiale Einspannkraft ausübt.
- Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, um die Reibung zwischen dem Gewindering und dem Stützring zu minimieren. Hierzu kann eine Kunststoffschicht bzw. -folie, beispielsweise Kapton oder Teflon, eine Hartstoffglattschicht, wie DLC (Diamond Like Carbon), oder ein Gleitmittel wie Molybdändisulfid eingesetzt werden. Vorzugsweise beträgt der Haftreibungskoeffizient zwischen dem Stützring und dem Gewindering weniger als 0,2.
- Die Erfindung wird nun anhand eines in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1:
- eine Schnittzeichnung durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor,
- Fign. 2a-c:
- schematische Darstellungen der radialen Verformung einer Druckmeßzelle aufgrund axialer Einspannkräfte; und
- Fig. 3a-c:
- FEM Daten zur Verformung einer Druckmeßzelle unter axialen Einspannkräften.
- Der in
Fig. 1 gezeigte Drucksensor umfaßt eine Druckmeßzelle 6 die einen Grundkörper und eine Meßmembran aus Korund aufweist, die mittels eines Aktivhartlots an der vorderen Stirnfläche des Grundkörper befestigt ist. Ein Stützring aus Korund, dessen Außendurchmesser gleich dem Durchmesser φ1 des Grundkörpers ist, ist an der rückseitigen Stirnfläche des Grundkörpers mittels eines Aktivhartlots befestigt. Die Druckmeßzelle 6 und der Stützring 2 sind in einem Gehäuse aus Edelstahl angeordnet, welches eine zylindrische Meßzellenkammer 1 und einen Prozeßanschlußflansch 7 aufweist, welcher an einer stirnseitigen Öffnung der Meßzellenkammer 1 angeordnet ist. Der Prozeßanschlußflansch 7 erstreckt sich radial einwärts von der zylindrischen Wand der Meßzellenkammer 1 und bildet so eine axiale Anschlagfläche in der eine Ringnut 71 geformt ist zur Aufnahme eines elastischen Dichtrings 8. Die Druckmeßzelle 6 drückt mit der membranseitigen Stirnfläche axial gegen den Dichtring 8. - Die Einspannkraft ist durch die Kompression des Dichtrings 8 und dessen elastische Eigenschaften gegeben. Die Kompression des Dichtrings wird bei der Montage des Drucksensors über die Position eines Gewinderings 5 eingestellt, der rückseitig auf den Stützring 2 wirkt. Die elastischen Eigenschaften ändern sich durch Alterung bzw. Temperung des Dichtrings unter Kompression. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die anfängliche Einspannkraft 500 N. Nach einer Temperung des Dichtrings, die beispielsweise im Betrieb durch Reinigungszyklen des Sensors mit Wasserdampf erfolgen kann, wird die Einspannkraft auf 400 N reduziert.
- Die Identifizierung des optimalen Innendurchmessers Φ2 des Stützrings wird nachfolgend für ein Ausführungsbeispiel erläutert. Die vorgegebenen Abmessungen waren: Grundkörperdurchmesser Φ1=32,4 mm, Dicke des Grundkörpers D1=5mm, Dicke der Membran 160µm, Dicke der Aktivlotschicht 55µm. Der Stützring wurde als "unendlich steif" angenommen.
- Mittels FEM wurde die Verformung für axiale Einspannkräfte von 500N und 400N bei verschiedenen Innendurchmessern Φ2 des Stützrings ermittelt und die daraus folgende Spanne bei Beaufschlagung mit dem Nenndruck wurde ebenfalls mit FEM berechnet. Der Spannefehler ergibt sich durch Vergleich der Spannen bei 500 N Einspannkraft und 400 N Einspannkraft.
- Durch Variation des Innendurchmessers Φ2 kann der optimale bzw. ein hinreichend guter Wert ermittelt werden, wie anhhand der
Fign. 3a-c gezeigt wird. - Die
Fign. 3a-c zeigt eine Vektordarstellung der Verschiebung für einen Ausschnitt um die Innenkante der Fügestelle zwischen dem Grundkörper und der Meßmembran für verschiedene Innendurchmesser Φ2 des Stützrings. - In
Fig. 3a beträgt der Innendurchmesser 27,8 mm. Dieser Innendurchmesser ist zu groß. Das gezeigte Vektorfeld bei einer Einspannkraft von 500 N zeigt eine radial einwärts gerichtete Verschiebung, welche die Membransteifigkeit reduziert. Die Spanne wird damit also größer. Die Spannenänderung gegenüber der nicht eingespannten Zelle beträgt etwa +0,8%. Bei einer Einspannkraft von 400N wird die Spannenänderung auf etwa +0,64% reduziert. Der Spannefehler beträgt somit -0,16%. - In
Fig. 3b beträgt der Innendurchmesser 10,0 mm dieser Innendurchmesser ist zu klein. Das gezeigte Vektorfeld bei einer Einspannkraft von 500 N zeigt eine radial auswärts gerichtete Verschiebung, welche die Membransteifigkeit erhöht. Die Spanne wird damit also kleiner. Die Spannenänderung gegenüber der nicht eingespannten Zelle beträgt etwa -0,1%. Bei einer Einspannkraft von 400N wird die Spannenänderung auf etwa -0,08% reduziert. Der Spannefehler beträgt somit +0,02%. - In
Fig. 3c beträgt der Innendurchmesser 23,2 mm dieser Wert ist nahezu ideal. Das gezeigte Vektorfeld bei einer Einspannkraft von 500 N zeigt im Bereich der Fügestelle der Membran kaum eine radiale Verschiebung, welche die Membransteifigkeit verändern könnte. Die Spannenänderung gegenüber der nicht eingespannten Zelle beträgt etwa -0,01%. Bei einer Einspannkraft von 400N wird die Spannenänderung auf etwa -0,008% reduziert. Der Spannefehler beträgt somit +0,002%. - Somit ist für die gegebenen Abmessungen der Druckmeßzelle ein Innendurchmesser für einen Stützring gefunden, der die radiale Verformung der Druckmeßzelle aufgrund axialer Einspannkräfte weitgehend eliminiert. In der praktischen Umsetzung weist der Stützring vorzugsweise eine Dicke auf, die nicht weniger als die Dicke der Druckmeßzelle ist, um der Annahme einer hinreichend steifen axialen Abstützung gerecht zu werden.
- In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Ermittlung der idealen Geometrie des Stützrings wurde ein Stützring endlicher Steifigkeit mit dem gleichen Elastizitätsmodul wie der Grundkörper der Druckmeßzelle angenommen. Sowohl die Dicke des Stützrings und dessen Innendurchmesser als auch die Reibung zwischen dem Stützring und dem Gewindering wurde variiert. Im Ergebnis wurde bestätigt daß die zuvor beschriebene Simulation unter der Annahme eines unendlich steifen Stützrings bereits einen geeigneten Innendurchmesser identifiziert hatte. Die Annahme unendlicher Steifigkeit des Stützrings erweist sich für Stützringe mit einer Dicke die gleich der Dicke des Grundkörpers ist, natürgemäß angemessener als für dünnere Stützringe. Bei dünneren Stützringen, beispielsweise mit der 0,25 fachen Grundkörperdicke, ist nach derzeitiger Erkenntnis der Einfluß der Reibung zwischen dem Stützring und dem Gewindering stärker als bei Stützringen mit der Dicke des Grundkörpers.
- Wenn ein dünner Stützring verwendet werden soll, ist es daher vorteilhaft, die Simulation mit dem aufwendigeren Modell durchzuführen, welches die Reibung zwischen dem Stützring und dem Gewindering und die elastischen Eigenschaften des Stützrings berücksichtigt. Selbstverständlich sind auch die Ergebnisse für dicke Stützringe, beispielsweise der mit Dicke des Grundkörpers, mit dem aufwendigeren Modell genauer, aber geeignete geometrien lassen sich, wie bereits erwähnt, schon mit dem einfacheren Modell identifizieren.
- Schließlich wurden zusätzlich die Abmessungen des Gewinderings variiert wobei sich zeigte, daß der Einfluß dieser Abmessungen im wesentlichen vernachlässigbar ist.
Claims (11)
- Drucksensor, umfassend
eine Druckmesszelle (6) mit einem im wesentlichen zylindrischen Grundkörper mit einem ersten Durchmesser und einer ersten Dicke,
einen an einer Stirnfläche des Grundkörpers gefügten Messmembran mit einem zweiten Durchmesser und einer zweiten Dicke,
einen elastischen Dichtring (8) mit einem dritten Durchmesser und einer dritten Dicke
und einen Stützring (8) mit einem vierten Außendurchmesser, einem vierten Innendurchmesser und einer vierten Dicke, wobei die vierte Dicke mindestens gleich der ersten Dicke ist, wobei der vierte Außendurchmesser gleich dem ersten Außendurchmesser ist,
wobei die Druckmesszelle (6) zwischen dem elastischen Dichtring (8) und dem Stützring (8) axial eingespannt ist,
wobei der Dichtring (8) auf der membranseitigen Stirnseite der Druckmesszelle (6) aufliegt, und der Stützring (8) die von der Messmembran abgewandte rückwärtige Stirnseite der Druckmesszelle (6) abstützt; dadurch gekennzeichnet,
dass der Innendurchmesser des Stützrings (8) solchermaßen auf die Abmessungen des Dichtrings und der Druckmesszelle (6) abgestimmt ist, dass eine durch die axiale Einspannung der Druckmesszelle (6) bedingte radiale Verformung der membranseitigen Stirnfläche so gering ist, dass der Spannefehler des Drucksensors aufgrund einer Reduzierung der axialen Einspannkraft um mindestens 10% nicht mehr als 0,02% beträgt. - Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Innendurchmesser des Stützrings so gewählt ist, dass der Spannenfehler bei einer Reduzierung der Einspannkraft um mindestens 20% nicht mehr als etwa 0,02% beträgt.
- Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Innendurchmesser des Stützrings so gewählt ist, dass der Spannenfehler bei einer Reduzierung der Einspannkraft um mindestens 10% bzw. mindestens 20% nicht mehr als etwa 0,01% beträgt.
- Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei axiale Einspannkraft zwischen 350 N und 550 N beträgt.
- Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Grundkörper und die Messmembran das gleiche Material, insbesondere ein keramisches Material aufweisen.
- Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Stützring (8) das gleiche Material wie der Grundkörper aufweist.
- Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Stützring (8) fest mit dem Grundkörper verbunden ist.
- Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend ein Gehäuse mit einer Messzellenkammer zur Aufnahme der Druckmesszelle (6), wobei das Gehäuse in seinem Inneren eine axiale Anschlagfläche aufweist, welche den Dichtring (8) axial abstützt, und einen Gewindering, welcher in ein Innengewinde in einer Wandung der Messzellenkammer eingreift und auf die der Druckmesszelle (6) abgewandten Rückseite des Stützrings eine axiale Einspannkraft ausübt.
- Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin umfassend Mittel zur Minimierung der Reibung zwischen dem Gewindering und dem Stützring.
- Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Haftreibungskoeffizient zwischen dem Stützring (8) und dem Gewindering weniger als 0,2 beträgt.
- Verfahren zur iterativen Optimierung der Abmessungen eines Stützrings für einen Drucksensor, nach einem der vorherigen Ansprüche unter Einsatz von FEM, umfassend die Schritte :(i) Festlegen einer Geometrie für den Stützring,(ii) Berechnen einer ersten Spannenänderung des Drucksensors unter einer ersten axialen Einspannungskraft ;(iii) Berechnen einer zweiten Spannenänderung des Drucksensors unter einer zweiten axialen Einspannungskraft ;(iv) Ermittlung des Spannefehlers durch Vergleich der ersten Spannenänderung mit der zweiten Spannenänderung.(v) Bewertung des Spannefehlers ; und(vi) Variation des Innendurchmessers des Stützrings, undWiederholen der Schritte (ii) bis (vi) bis eine Geometrie gefunden ist, bei welcher der Spannefehler des Drucksensors aufgrund einer Reduzierung der axialen Einspannkraft um mindestens 10% nicht mehr als 0,02% beträgt.
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